山登绝顶我为峰

——世界首个±800kV/4750A特高压直流换流阀自主研发纪实

6月30日，国家电网公司电力系统电力电子实验室控制室内，试验员偶乐轻声地读数，牵动着现场每个人的心跳。包括中国科学院院士周孝信、中国工程院院士李立浧、杨奇逊、陈予恕、朱英浩、雷清泉、郑健超在内等13名专家屏息凝视在悬在半空中的一座10余米高的巨型设备，这是中国电科院自主研发的世界首个±800千伏/4750安特高压直流换流阀正在进行最关键的型式试验——单阀非周期触发试验。

4天前，该阀已在国家电网公司电力系统电力电子实验室顺利通过全部型式试验，通流能力和电压等级均创造了世界之最，并通过世界权威电力试验认证机构KEMA(荷兰电力试验所)的认证。此次重复试验，将有力证明自主创新的换流阀不但具有不输于国外同类产品的品质，而且具有同样高的稳定性和可靠性。

“波头峰值1714千伏，波头时间259微秒，波尾时间2498微秒，多重阀操作冲击试验胜利完成!”试验员的声音不高，却引发了实验室里一片沸腾。这个试验的再次成功，标志着中国电科院已掌握了世界上最尖端的输电技术，用行动践行了李荣融在2010年中央企业科技工作会议上提出的“中央企业必须在提升自主创新能力方面发挥表率示范作用;必须在加快提升自主创新能力中发挥引领带动作用;必须在加快提升自主创新能力中发挥骨干中坚作用”。

郑健超院士指出，“型式试验的圆满完成，标志着我国对于±800千伏/4750安直流换流阀技术的研发已获成功，我国再一次占领了世界电力电子高端技术领域的制高点，从此打破了跨国公司的技术垄断。”

“争气阀”的来历

相较于交流输电，直流输电在远距离输电方面受到同步运行稳定性的限制更少，十分有利于大电网的安全。而直流输电最关键的设备就是直流换流阀。什么是直流换流阀?众所周知，发电厂送出交流电，百姓生产生活用的也是交流电。而要输送直流电，就要先把交流电转换成为直流电，在进入千家万户前，再把直流电转换为交流电。实现这一功能的设备，就是直流换流阀。它位于直流输电工程的两端，堪称直流输电的“心脏”，没有它，直流输电就无从谈起。

20年前，当我国第一条直流线路系统调试时，设备上的国外品牌，深深刺痛了当时奋战在调试现场的中国电科院高电压领域众多专家的自尊心——作为国内业界历史最悠久，最权威的研究机构，新中国成立以来，中国电科院承担了我国电力工业史上每一项标志性工程的调试任务和大量科研项目，可是当时，却不得不低头承认这一现实——在直流输电领域，我们技不如人!自1954年世界上第一条高压直流输电线路投入商业运行以来，西方国家经过了几十年的经验积累，可是我国的高压直流输电技术研究还处于初级阶段。

也就是从那时起，掌握这项技术的跨国公司一直把持着这项技术赚取超额利润。一条直流工程，设备投资的近一半都要花在直流换流阀上。还不止于此，“你要买换流阀?好，就连换流站内地砖、草皮都要打包一块买”。那么技术引进，我们花钱买技术可以么?答复是：“NO”!直流换流阀技术是他们手中王牌中的王牌，是一只会下金蛋的鸡。出售核心技术，无异于杀鸡取卵。

为了保护这项技术，几家互为竞争对手的跨国公司步调竟难得一致：不在核心期刊发表相关技术文章;不发布任何产品的技术资料和细节图片;出厂的产品都要蒙上厚厚的包装;甚至为换流阀做试验的实验室，都被采取了极其严格的保密措施。

“在我们的实验室建成前，世界上只有两个同类实验室可以做换流阀的型式试验，做一次试验你知道要多少钱?”中国电科院的魏博士笑着伸出两个手指：“200万?”这已经是记者认定的极限价格。魏博士笑着摆了摆手：“你们少猜了一个零，是2000万人民币!”

“摧锋于正锐，挽澜于极危”。一定要攻克这道直流输电技术难题，为中国人争这口气。这就是自主研发的直流换流阀的别名——“争气阀”的来历。

强大引擎开动

作为一项集电力系统分析、大功率电力电子技术、高电压技术、机械工程、热学等十多个学科为一体工程技术，直流输电技术的综合性极强，复杂程度极高。而基于特高压大功率晶闸管串联技术的特高压直流换流阀技术，又是其中最难跨越的一道深壑。

一代又一代电力科研人员为了攻克这一难题，沤心沥血，废寝忘食。“如果中国电科院不能研发，国内就再没有谁能做了。”中国电科院副总工程师汤广福自豪地说。

作为我国电力行业多学科、综合性的科研企业，中国电科院的研究范围涵盖电力科学及其相关领域的各个方面，拥有11个研究所、12个产业公司、9个部级质量检验测试中心、1个研究生部、1个博士后流动站、1个博士后工作站，辅以39个主要实验室。拥有如此强大的科研产业实力，要解决直流换流阀的这道世界性难题，确实是舍我其谁。

那么，下一个问题就是，引进技术还是自主研发呢?“我们一开始也想分步走，走引进消化吸收的技术路线，尝试着和三个跨国公司都接触过。两家产品已进入中国市场的公司十分忌惮与中国电科院合作，因为他们了解我们的研发实力，生怕他们的拳头技术被我们学走!”汤广福苦笑着说，“另一家公司同意与我们合作，但合同执行了一半就没有下文了，技术图纸一张也没给过我们。那么，我们干脆甩开他们，做自己的核心技术!”

实践证明，这条路走得正确。在过去的20年中，通过中外合资的方式，国内某些行业将90%的市场拱手相让，但绝大部分合资企业却并没有真正研发出属于自己的核心技术，而且花费了巨额资金。

“我们换来的不是先进技术，而是进入成熟期、衰退期，甚至马上就要淘汰的技术。”科技部的一位专家一语道破天机。要想赢得先机、占领制高点，自主创新是摆在中国电科院人面前的唯一选择。

“我们中国电科院，要干就要干最好的!”从年青的科研团队身上，我们看到了老一辈科研人员一脉相承的倔强气质。此时，中国电科院全院员工都信念坚定，要尽快抢占特高压直流换流阀这个输电工程关键技术、重大设备研发的制高点。只有登上这座高峰，我国才能打破国外的技术封锁，展现一片广阔的新天地。

一台中国电力科学界最为强劲的引擎发出了隆隆轰鸣，向着世界电力最高峰发起了冲击。

终点即是起点

凭借多年在电力系统和高电压领域的深厚积淀，凭借着国内唯一拥有研发、制造自主知识产权可控串补等大功率电力电子产品的宝贵经验，短短的一年半时间内，中国电科院顺利完成了“争气阀”的研发。

“大家没有周末，甚至没有黑白天。领导身先士卒，谁还能够躲在后面拖后腿!我们抢出的是别人吃饭睡觉的时间!”就是凭着这一股子劲头，年轻的科研团队完成了令人瞠目的壮举。

“争气阀”的研发团队领军人物、中国电科院副院长邱宇峰以及副总工程师汤广福却有着更深的感受，“岂止是一年半?自主创新，是在中国电科院几十年的科研功力和经验积累的基础上完成的，不是一蹴而就，更不是平地起楼。”中国电科院是国内最早从事直流输电技术研究与开发的科研单位之一，在直流输电系统分析、设计、仿真与调试等方面积累了丰富的经验，同时在柔性交流输电技术的国产化和应用推广进程中，在高压串联晶闸管阀的研究、分析、设计、关键技术开发及试验等一系列核心技术方面也取得重大突破，此外还拥有完整的专业人才队伍，负责建设和运维特高压直流试验基地和具有世界领先水平的大功率电力电子试验室。所有这一切，都为直流输电换流阀研制和示范项目的成功实施打下了良好的基础。

在“争气阀”的研发过程中，研发团队全面建设直流输电换流阀基础理论、成套设计、关键技术开发和关键设备研制、集成技术、试验技术等研究与开发平台，掌握了直流输电换流阀的一系列核心技术，实现了直流输电核心技术瓶颈的重点突破。

“争气阀”在技术上拥有国外产品无法比拟的优势。一位核心科研人员向我们一一例举。首先，它拥±800千伏/4750安的电压等级和通流能力，超越了国外同类产品。“换流阀就相当于一座水坝，能承受的电压大小决定了水坝的蓄水高度，耐受的电流大小则与水坝的泄洪量密切相关。其所承受的高电压代表其极高的蓄水高度，也就意味着比其他换流阀在能量传输上距离更远，在相同距离上损耗更小。它所耐受的大电流，则代表其具有更大泄洪容量，也就意味着能输送更多能量。同时，由于电压、电流的提高，在整个能源流经的路径上，还能极大地节约线路走廊资源。”

其次，特高压直流换流阀拥有9级压装式TCA(晶闸管压装集成)，一般来说，常规TCA压装是6级，也就是一个TCA由6个晶闸管压装而成。与传统相比，9级压装式TCA将减少并联的数量，能有效将阀模块体积缩小50%，使整个阀塔得到整体优化，结构更加紧凑、占地更少，并且可靠性更高。

再次，它的水冷电阻一体化设计和饱和电抗器分体设计更是中国电科院的独门绝技：将水冷系统与电阻合二为一，使换流阀结构更加简单，可靠性更高，性能更优越。这相当于把两个部件合成为一个，部件数量减少了，自然结构更明了，造成安全隐患的环节减少了，从而具有更高的稳定性。而分体的饱和电抗器就相当于电脑的“双核”，能使换流阀具有更大的兼容性，不仅能满足特高压的工程需求，而且具有向下兼容能力，能覆盖更多电压、电流等级工程需要。一位设计人员解释说，换流阀是高精尖的产品，生产成本较高，为了不造成浪费，科研人员在设计之初就对兼容问题进行了考虑，不仅提高产品利用率，而且使整个阀模块更加匀称美观。

而“争气阀”可靠性更是无人能出其右。按照行业规定，特高压直流换流阀的使用寿命是35年，按照国际大电网规定，两年才能单极闭锁一次，十年才能双极闭锁一次。试验证明，“争气阀”的稳定性经得起现场恶劣环境的检验。

“争气阀”进入市场后，预计将在十年内整体降低我国直流输电建设、运行和维护费用百亿元，不但为直流输电技术在我国的推广应用铺平了道路，而且将会打破跨国公司的国际垄断地位，为中国人争得输电领域高端市场赢得一席之地。

资料：国内外换流阀的发展

汞弧阀换流时期

1901年 发明汞弧整流管，但只能用于整流，而不能进行逆变。

1928年 具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，不但可用于整流，也解决了逆变问题，它的问世使直流输电成为现实。

1954年 世界第一个工业性直流工程——果特兰岛直流工程在瑞典投入运行。

1977年 最后一个采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。这个时期被称为汞弧换流时期。

汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高，可靠性较低、运行维护不便，使直流输电的发展受到限制。

晶闸管阀换流时期

上世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管问世，晶闸管换流阀和微机控制技术在直流工程中的应用，有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电技术的发展。晶闸管换流阀取代了汞弧阀，在此期间，微机控制和保护、光电传输技术、水冷技术、氧化锌避雷器等新技术，在直流输电工程中也得到了广泛应用，促使直流输电技术进一步的发展。

1970年 瑞典首先在果特兰岛直流扩建中试验采用晶闸管换流阀。

1972年 世界上第一个采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行。

换流阀技术在中国

中国的直流输电是在1985年考虑长江三峡水利资源开发以及三峡电站的电力外送问题时提出的。

1963年 中国电科院便建成1000伏/5安的直流输电物理模拟装置，并利用该装置开始了对直流输电换流技术及控制保护系统进行初步的研究。

上世纪70年代以后，中国电科院用晶闸管替换原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。虽然起步较晚，但中国直流输电跨越了汞弧阀换流时代，直接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他设备也进行了试制。

1989年 我国第一条直流工程——葛沪工程正式投运，全部设备外包。由瑞士BBC作为总承包，德国西门子提供南桥站全部一次设备。

2004年 我国第一个背靠背直流工程，同时又是一个直流设备国产化示范工程——灵宝背靠背直流工程顺利建成，标志着中国已经逐渐成为世界上运行直流工程数量最多、容量最大、线路最长的直流输电大国。灵宝工程的换流阀由中国电科院生产制造，目前各项性能良好。

2010年 宁东-山东±660千伏直流项目换流阀由中国电科院制成，攻关团队仅用68天完成世界首个±660kV直流换流阀全部型式试验。

2010年 中国电科院研制的世界上电压等级最高、通流能力最大的±800千伏/4750安特高直流换流阀顺利完成全部型式试验。